DEPARTAMETO DE ENGENHARIA CIVIL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
CARLOS FERNANDO QUINTERO QUINTERO
ESTUDO DE MISTURAS ASFÁLTICAS COM LIGANTES DE CONSISTÊNCIA ELEVADA – FORMULAÇÃO E
COMPORTAMENTO MECÂNICO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. LETO MOMM
Florianópolis 2011
Catalogação na fonte pela Biblioteca Universitária da Universidade Federal de Santa Catarina
.
Q7e Quintero, Carlos Fernando Quintero
Estudo de misturas asfálticas com ligantes de consistência elevada [dissertação] : formulação e comportamento mecânico / Carlos Fernando Quintero Quintero ; orientador, Leto Momm. – Florianópolis, SC, 2011.
1 v.: il., grafs., tabs.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil.
Inclui referências
1. Engenharia civil. 2. Misturas asfálticas. 3. Módulo elevado. 4. Ligante de consistência elevada. I. Momm, Leto. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil. III. Título.
CDU 624
ESTUDO DE MISTURAS ASFÁLTICAS COM LIGANTES DE CONSISTÊNCIA ELEVADA – FORMULAÇÃO E
COMPORTAMENTO MECÂNICO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. LETO MOMM
Florianópolis 2011
Estudo de Misturas Asfálticas com Ligantes de Consistência Elevada – Formulação e Comportamento Mecânico
Esta dissertação foi julgada para a obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA, especialidade ENGENHARIA CIVIL, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
da Universidade Federal de Santa Catarina.
Prof. Dr. Leto MOMM - Orientador Departamento de Engenharia Civil – UFSC
Prof. Dr. Janaíde Cavalcante Rocha Coordenador do Curso do PPGEC – UFSC
Comissão Examinadora:
Drª. Leni Figueiredo Mathias Leite CENPES/PETROBRAS
Prof. Dr. Liseane Padilha Thives Departamento de Engenharia Civil – UFSC
Prof. Dr. Orlando Martini de Oliveira Departamento de Engenharia Civil – UFSC
Florianópolis - SC 2011
“O senhor é meu pastor, nada me falta” Salmos 23,1
Dedicatória
A Deus por guiar-me e dar-me discernimento durante cada etapa da minha vida, a minha esposa Zamira Delgado pela compreensão, apoio e amor incondicional, a meus pais Alonso e Dilia, a meus irmãos Jairo, Efrain, Ruben, Diego, Darwim Juliam e Marcela, a meu tio Jairo e sua esposa Omaira, por toda sua colaboração e apoio durante minha formação, a mis primas Karen e Andrea e a minhas tias Alcira e Laddy pelos conselhos, a Rodolfo e Ema Nubia, a toda minha família e amigos que sempre estão presentes quando preciso deles, muito obrigado.
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Leto Momm, pela amizade, conselhos, orientação e ensinamentos durante meus estudos de mestrado.
A meus amigos e colegas Leandro, Paulo, Murilo, Jose, Manuel, Mario, Breno, Yader, Márcio, Otto, Keyla, Greice, entre outros.
Aos Professores: Orlando Martini de Oliviera, Antonio Fortunato Marcon, Marciano Macarrini, Liseane Padilha Thives, Amir Mattar Valente, Marcos Noronha, Luiz Gomez, pelos ensinamentos e conhecimentos compartilhados durante meu mestrado.
À Dr. Leni Figueiredo Mathias Leite pela amizade, confiança e colaboração no mestrado, sempre disposta a dar apoio às atividades de pesquisa.
À Professora Liedi Bariani Bernucci, por facilitar a realização dos ensaios no Laboratório de Pavimentação da Escola Politécnica de São Paulo.
Ao Edson de Moura, pela amizade, conselhos e auxilio para a execução dos ensaios Laboratório de pavimentação da escola politécnica de São Paulo.
Ao Edi Assini Jr, pela colaboração e auxilio nas atividades complementares ao Laboratório.
Aos colegas e amigos Kendy, Erasmo, Rosangela, Kamila, entre outros do Laboratório Pavimentação da Escola Politécnica de São Paulo que durante minha permanência em suas instalações brindaram sempre sua amizade e apoio.
Agradeço a CENPES/PETROBRAS e refinarias REPAR e REPLAN que fez a doação do ligante asfáltico utilizado para execução da pesquisa.
Agradeço ao Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq), pela bolsa de estudos para a realização dos estudos de mestrado, Bolsista CNPq – IEL Nacional - Brasil.
À família Delgado Mendez, pelo seu apoio durante meus estudos de mestrado.
Agradeço a todos meus familiares, amigos e pessoas que de uma ou outra forma colaboraram no desenvolvimento desta pesquisa.
SUMÁRIO
RESUMO ix
ABSTRACT x
LISTA DE FIGURAS xi
LISTA DE TABELAS xii
LISTA DE SÍMBOLOS xix
LISTA DE ABREVIAÇÕES xxi
1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 1
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO ... 3
1.2.1 Objetivo geral... 3
1.2.2 Objetivos específicos ... 3
2 FORMULAÇÃO DE MISTURAS ASFÁLTICAS ... 9
2.1 INTRODUÇÃO ... 9
2.2 NÍVEIS DE FORMULAÇÃO ... 10
2.3 MISTURAS ASFÁLTICA COM FUNÇÃO SUPERFÍCIE ... 12
2.4 MISTURAS ASFáLTICAS COM FUNÇÃO ESTRUTURAL .. 13
2.4.1 Misturas asfálticas de módulo elevado (Enrobés à Module Élevé NF P98-140) ... 13
2.4.2 Misturas Grave-Bitume NF P98-139... 17
2.5 EXPERIÊNCIAS NA UTILIZAÇÃO DE LIGANTES DE ELEVADA CONSISTÊNCIA ... 19
3 COMPORTAMENTO DOS CONCRETOS ASFÁLTICOS 25 3.1 INTRODUÇÃO ... 25
3.2 TIPOS DE ESTRUTURAS DO PAVIMENTO DE CONCRETO ASFÁLTICO ... 27
3.2.1 Pavimento simples ... 27
3.2.2 Pavimento com camadas asfálticas densas ... 27
3.2.3 Pavimentos de estrutura mista ... 28
3.3 SOLICITAÇÕES DINâMICAS SOBRE O PAVIMENTO ... 29
3.3.1 Solicitações em camadas de concreto asfáltico ... 29
3.3.2 Analise da carga em sistema móvel ... 33
3.4 VISCOELASTICIDADE DOS CONCRETOS ASFÁLTICOS 37 3.4.1 Domínio temporal ... 38
3.4.2 Módulo complexo - Domínio frequencial ... 40
3.5 REPRESENTAÇÃO DO MÓDULO COMPLEXO ... 46
3.6 FADIGA DOS CONCRETOS ASFALTICOS ... 52
3.6.1 Mecanismo de fadiga ... 55
3.7 MODELOS REOLÓGICOS DE ... 57
COMPORTAMENTO VISCOELÁSTICO ... 57
3.7.1 Modelo de Maxwell e Kelvin Voigt ... 57
3.7.2 Modelo de Huet ... 58
3.7.3 Modelo de Huet-Sayegh ... 59
3.8 FATORES QUE INFLUENCIAM NO COMPORTAMENTO DAS MISTURAS ... 62
3.8.1 Influência do tipo de ligante ... 62
3.8.2 Influência do tipo de agregados e granulométria ... 66
3.8.3 Influência dos finos... 67
3.8.4 Influência das solicitações aplicadas ... 67
3.8.5 Influência das condições climáticas ... 70
3.9 DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO ... 75
3.9.1 Deformação calculada na base da estrutura modelizada... 77
3.9.2 Deformações admissíveis ... 79
4 MATERIAIS E METODOLOGIA ... 84
4.1 INTRODUÇÃO ... 84
4.2 MATERIAIS ... 85
4.2.2 Material betuminoso e adesividade ao granular ... 85
4.3 CURVAS GRANULOMETRICAS ... 87
4.4 RELAÇÕES VOLUMÉTRICAS ... 89
4.5 TEORES DE LIGANTES DO ESTUDO ... 92
4.6 ENSAIOS LABORATORIAIS ... 95
4.6.1 Compactação por cisalhamento giratório (NF P 98-252). ... 95
4.6.2 Sensibilidade a água no ensaio Duriez (NF P 98-251-1) ... 99
4.6.3 Ensaio de deformação permanente NF P 98-253-1 ... 103
4.6.4 Preparação dos corpos-de-prova para o ensaio de módulo complexo e resistência a fadiga ... 106
4.6.5 Módulo complexo ... 113
4.6.6 Ensaio de fadiga ... 118
5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 119
5.1 ENSAIOS DE COMPACTAÇÃO ... 119
PORCISALHAMENTO GIRATÓRIO (PCG) ... 119
5.1.1 Mistura de módulo elevado ... 119
5.1.2 Mistura grave-bitume ... 122
5.2 ENSAIO DURIEZ ... 125
5.2.1 Mistura de módulo elevado ... 125
5.2.2 Mistura grave-bitume ... 128
5.3 ENSAIOS DE DEFORMAÇÃO PERMANENTE ... 130
5.3.1 Mistura de módulo elevado ... 130
5.3.2 Mistura grave-bitume ... 135
5.4 ENSAIO DE MÓDULO COMPLEXO ... 139
5.4.1 Mistura de módulo elevado ... 140
5.4.2 Mistura grave-bitume ... 146
5.5 ENSAIO DE FADIGA ... 151
5.5.2 Mistura grave-bitume ... 157
6 EXPLORAÇÃO DE RESULTADOS ... 165
6.1 ENSAIO DE COMPACTAÇÃO POR ... 165
CISALHAMENTO GIRATÓRIO (PCG) ... 165
6.1.1 Mistura de módulo elevado ... 165
6.1.2 Mistura grave-bitume ... 166
6.1.3 Comparação das misturas ... 167
6.2 SENSIBILIDADE À ÁGUA NO ENSAIO DURIEZ ... 168
6.2.1 Mistura de módulo elevado ... 168
6.2.2 Mistura grave-bitume ... 169
6.2.3 Comparação das misturas ... 169
6.3 ENSAIO DE DEFORMAÇÃO PERMANENTE ... 170
6.3.1 Mistura de módulo elevado ... 170
6.3.2 Mistura grave-bitume ... 172
6.3.3 Comparação das misturas ... 174
6.4 ENSAIO DE MÓDULO COMPLEXO ... 175
6.4.1 Misturas de módulo elevado ... 176
6.4.2 Mistura grave-bitume ... 176
6.4.3 Comparação entre as misturas ... 176
6.5 ENSAIO DE FADIGA ... 180
6.5.1 Mistura de módulo elevado ... 180
6.5.2 Mistura grave-bitume ... 181
6.5.3 Comparação entre as misturas ... 181
6.6 MODELO REOLÓGICO DE HUET-SAYEGH ... 183
6.7 DIMENSIONAMENTO ... 186
7 CONCLUSÕES ... 195
RESUMO
A pesquisa abrange o estudo de misturas asfálticas produzidas com ligantes de consistência elevada em relação à formulação e às propriedades mecânicas de rigidez (módulo complexo) e deformação admissível (resistência à fadiga). Duas misturas asfálticas para camadas estruturais do pavimento são formuladas, sendo uma referente a uma mistura grave-bitume (GB-3) dosada com Cimento Asfáltico de Petróleo CAP 30/45 fornecido pela refinaria da REPLAN e outra mistura asfáltica relativa a uma mistura de módulo elevado (EME-2) dosada com cimento asfáltico de petróleo com penetração 10x10-1mm. O material granular utilizado é proveniente de uma suíte intrusiva do município de Palhoça-SC. Na composição da mistura asfáltica deseja-se que tanto o módulo complexo quanto a resistência à fadiga das misturas asfálticas, em conjunto, apresentem valores elevados, garantindo um pavimento de alta resistência para rodovias de elevado volume de tráfego pesado e canalizado. Na formulação das misturas asfálticas, destaca-se o desempenho para cada etapa de ensaios desde o nível de 1 até o nível 4, realizada através da metodologia francesa de formulação de misturas asfálticas. Inicialmente verifica-se a habilidade da mistura asfáltica à compacidade no ensaio de compactação por cisalhamento giratório, a sensibilidade à água no ensaio de Duriez, a resistência à deformação permanente, o módulo complexo e a resistência à fadiga. O dimensionamento do pavimento é realizado considerando o comportamento viscoelástico das camadas betuminosas de maneira que a deformação calculada na base das camadas seja menor à deformação admissível do material. O comportamento viscoelástico verifica-se nos ensaios de módulo complexo, representado através do modelo reológico de Huet-Sayegh e a deformação admissível é obtida no ensaio de fadiga na flexão alternada em modo contínuo. A verificação dos efeitos na estrutura do pavimento faz-se pela aplicação do programa ViscoRoute que incorpora o modelo de Huet-Sayegh para as camadas viscoelásticas, considerando o efeito da temperatura e da carga em movimento.
Palavras-chave: misturas de módulo elevado, misturas grave-bitume, módulo complexo, fadiga.
ABSTRACT
This research comprises the study of asphalt mixtures produced with binders of high consistency according to the formulation and to the mechanical properties of stiffness (complex module) and admissible strain (fatigue resistance). Two asphalt mixtures for structural layers of pavement are formulated, one being in regard to a mixture grave-bitume class 3 (GB3) dosed with asphalt binder 30/45, supplied by the refinery known as REPLAN and another high modulus asphalt mixtures of class 2 (EME-2) dosed with asphalt binder graded as 10x10-1 mm. The used granular material from a intrusive suite from Palhoça-SC. It is intended that mixtures present elevate values concerning to the complex module and fatigue, aiming to provide good resistance to the pavement structures, especially in situations of heavy volume of heavy and canalized traffic. In the formulation of the asphalt mixtures stands out the performance for each stage of testing, since level 1 until level 4, achieved through the French methodology to verify the behavior of the asphalt mixes at each step of test. Initially, it is verified the measurement of the compacting capability asphalt mixture, by the gyratory shear compacting press, also the sensitivity to the water in the Duriez test, the rutting test, the complex module and fatigue resistance. The pavement design is realized considering the viscoelastic behavior of the asphalt layers in a form that the calculated strains are smaller to the admissible strains of the material. The viscoelastic behavior is verified in the complex module tests, represented through the of Huet-Sayegh model and the admissible strain is obtained in the fatigue test, carried in the alternated flexion in continuous mode. The ViscoRoute software was used to simulate the mechanical behavior of the pavement structures that includes the Huet-Sayegh model for the viscoelastic layers, including the effect of the temperature and of the dynamic loading.
Keywords: high modulus asphalt mixture, grave-bitume mixture, complex modulus, fatigue.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Resumo da matriz de ensaios. ... 6
Figura 2. Resumo dos níveis de formulação (LCPC, 2007). ... 12
Figura 3. Configurações da pista experimental testada na França 1992 a 1994 (Corte et al., 1994). ... 20
Figura 4. Corpo do pavimento numa estrutura multicamada ... 26
Figura 5. Pavimento simples (SETRA-LCPC, 1997). ... 27
Figura 6. Pavimento com camada betuminosa densa. (SETRA-LCPC, 1997). ... 28
Figura 7. Pavimento estrutura mista (SETRA-LCPC, 1997). ... 28
Figura 8. Pavimento de estrutura inversa (SETRA-LCPC, 1997). ... 29
Figura 9. Solicitações induzidas pelo tráfego (Di Benedetto, 1998). ... 29
Figura 10. Deformação das camadas com a passagem de uma roda simples (PERRET, 2003). ... 30
Figura 11. Sinais de deformação na fibra inferior da camada de base para temperatura de 30°C (PERRET, 2003). ... 31
Figura 12. Sinais de deformação na fibra inferior da camada de rolamento para temperatura de 30C (PERRET, 2003). ... 31
Figura 13. Superposição do sinal de deformação (roda simples 5°C, 11,5 t e 8 bar), com a curva sinusoidal de freqüência correspondente (PERRET, 2003). ... 32
Figura 14. Análise da carga em sistema móvel (NGUYEN, 2002). ... 33
Figura 15. Comparação do sinal longitudinal a xx a uma profundidade de 0.085 m, valores experimentais em pista de teste (L11 a L17) e modelados como o programa ViscoRoute (DUHAMEL, 2005). . ... 36
Figura 16. Comparação do sinal transversal yy a uma profundidade de 0.085 m, valores experimentais em pista de teste (T0 a T13) e modelados como o programa ViscoRoute (DUHAMEL, 2005). 36 Figura 17. Fluência a tensão constante (OLARD, 2003). ... 38
Figura 18. Relaxação a deformação constante (OLARD, 2003). ... 39
Figura 19. Representação do módulo complexo no plano complexo. ... 44
Figura 20. Módulo complexo mediante flexão alternada no domínio, funções defasadas. ... 45
Figura 21. Representação do módulo em curvas isotérmicas (MOMM, 1998). ... 46
Figura 22. Translação Gráfica das Curvas Isotérmicas (MOMM, 1998). ... 48
Figura 23. Curvas Equivalência - Frequência – Temperatura ... 49
Figura 24. Representação do módulo complexo em curvas isócronas (MOMM, 1998). ... 50
Figura 26. Módulo complexo representado no espaço Black ... 51
Figura 27. (a) modelo de comportamento dos pavimentos asfálticos contexto geral (b) simulação em laboratório (DOMEC, 2009). . 52
Figura 28. Sinais de solicitação e resposta nos dos modos do ensaio, (a) tensão controlada (b) deformação controlada (BAAJ, 2002). .... 53
Figura 29. Ensaio de fadiga a deformação controlada em modo contínuo (MOMM, 1998). ... 55
Figura 30. Definição do número de ciclos de ruptura. ... 55
Figura 31. Distinção entre as três fases no ensaio de fadiga (a) deslocamento controlado (b) tensão controlada. ... 56
Figura 32. Modelo de Maxwell e Kelvin Voigt no domínio temporal (MILLARD, 2005). ... 57
Figura 33. Representação analógica do modelo de (HUET, 1963). ... 58
Figura 34. Modelo reológico de Huet-Sayegh... 59
Figura 35. Determinação do módulo infinito no espaço Black. ... 61
Figura 36. Modelo de Huet-Sayegh no plano Cole-Cole. ... 61
Figura 37. Representação no espaço Black (OLARD, 2003). ... 63
Figura 38. Equivalência freqüência – temperatura (OLARD, 2003). ... 63
Figura 39. Superposição da curva equivalencia frequencia temperatura (OLARD, 2003). ... 64
Figura 40. Representação no plano Cole-Cole (OLARD, 2003). ... 65
Figura 41. Modulo complexo das misturas, espaço Black, (CANSTANEDA, 2003). ... 65
Figura 42. Modulo complexo, no plano Cole-Cole (CASTANEDA, 2003). ... 66
Figura 43. Impressão do pneu em função do tipo de eixo e pressão (PERRET, 2003). ... 67
Figura 44. Repartição das pressões de contacto do pneu para diferentes condições de carga (DE BEER, 1997; PERRET, 2007). ... 68
Figura 45. Sinal de deformação na fibra inferior da camada de base (EME) a 15°C e estrutura de 17cm para roda simples no sentido longitudinal (PERRET, 2003). ... 69
Figura 46. Sinal de deformação na fibra inferior da camada de base (EME) a 15°C e estrutura de 17cm para roda dupla no sentido longitudinal (PERRET, 2003). ... 69
Figura 47. Solicitações induzidas pela temperatura (OLARD, 2003). ... 70
Figura 48. Curvas de fadiga para diferentes temperaturas a 40Hz, mistura GB e com 4,6% de ligante 50/70 (DOMEC, 2005). ... 71
Figura 49. Modulo complexo dentro do plano complexo mistura GB3 (DOMEC, 2005). ... 72
Figura 50. Sinal de deformação na camada de base (EME2), diferentes temperaturas, estrutura espessura 10cm (PERRET, 2003). ... 73
Figura 51. Evolução do módulo de rigidez após de ciclos de imersão e
secagem (CASTAÑEDA, 2005). ... 74
Figura 52. Deformações calculadas para 106 ciclos, para as misturas asfálticas CTB e CTBPC (BARRA, 2009). ... 74
Figura 53. Dimensionamento racional do pavimento (MOMM, 1998)... 76
Figura 54. Modelização da estrutura do pavimento considerando as camadas viscoelásticas e modelo de Huet-Sayegh (DUHAMEL et al., 2005). ... 78
Figura 55. Adesividade (a) 0% dope, (b) 0.5% dope, (c) 1% dope. ... 86
Figura 56. Curvas de viscosidade. ... 87
Figura 57. Curvas granulométricas. ... 89
Figura 58. Ensaio de compactação por cisalhamento giratório. ... 95
Figura 59. Modelo e cálculo do valor de K1 (LCP, 2007). ... 97
Figura 60. Ensaio de compactação por cisalhamento giratório (a) PCG3 (b) preparação da mistura (c) e (d) colocação da mistura no molde (e) corpo-de-prova na prensa (f) desmoldagem. ... 98
Figura 61. Verificação e calibração da velocidade de avanço da prensa. .. 100
Figura 62. Sequência da compactação no ensaio duriez (a) usinagem (b) tempo de repouso em estufa duas horas (c) compactação (d) detalhe da compactação. ... 101
Figura 63. Condicionamento e ruptura dos corpos de prova Duriez (a) aplicação de vácuo (b) condicionamento com imersão e sem imersão. ... 102
Figura 64. Ruptura dos corpos de prova Duriez (a) ruptura do corpo de prova (b) corpos de prova após a ruptura. ... 102
Figura 65. Processo mistura (a) aquecimento dos granulares materiais fino à esquerda e material grosso à direita (b) mistura. ... 103
Figura 66. Preparação das placas (a) repouso após da usinagem (b) compactação (c) placas para os teores de 4.3% até 4.9 (d) pesagem hidrostática das placas. ... 104
Figura 67. Ensaio de deformação permanente (a) placa condicionada para o ensaio (b) medida da profundidade de deformação. ... 105
Figura 68. Material para uma placa de 40cmx60cmx12cm. ... 107
Figura 69. (a) mistura (b) mistura em repouso por um período de duas horas (b) mesa compactador (d) placas após a compactação. .. 108
Figura 70. (a) corte transversal (b) corte no borde e centro, comprimento 250mm±1mm (c) corte longitudinal em laminas de espessura 25mm±1mm (d) placas para cada corpo-de-prova. ... 109
Figura 71. Conjunto de lâminas cortadas. ... 110
Figura 72. Corte dos corpos de prova trapezoidais. ... 110
Figura 73. Conjunto de 20 corpos-de-prova por placa da mistura de módulo elevado. ... 111
Figura 75. (a) esquerda corpo-de-prova tipo da mistura grave-bitume (b)
direita corpo-de-prova da mistura de módulo elevado. ... 112
Figura 76. Máquina de módulo complexo e resistência a fadiga... 113
Figura 77. (a) Controle de temperatura (b) controle de freqüência. ... 114
Figura 78. Colagem dos corpos-de-prova com adesivo Araldite... 115
Figura 79. (a) corpo-de-prova parafusado no topo e na base (a) célula de carga e sensor de Hall de deslocamento (c) excêntrico da máquina. ... 115
Figura 80. Corpos-de-prova colocados na máquina de módulo e fadiga. .. 116
Figura 81. Mistura de módulo elevado, corpos-de-prova moldados. ... 120
Figura 82. Mistura de módulo elevado, habilidade a compacidade. ... 121
Figura 83. Mistura grave-bitume, corpos de prova moldados. ... 122
Figura 84. Mistura grave-bitume, habilidade a compacidade. ... 124
Figura 85. Mistura de módulo elevado, corpos de prova Duriez após a ruptura. ... 126
Figura 86. Mistura de módulo elevado, tensão de ruptura com e sem condicionamento. ... 127
Figura 87. Mistura grave-bitume, corpos-de-prova Duriez da após da ruptura. ... 128
Figura 88. Mistura grave-bitume, tensão de ruptura. ... 129
Figura 89. Mistura de módulo elevado, placas após do ensaio de deformação permanente. ... 131
Figura 90. Cortes das placas (a) 5,1% ligante - Placa 01 (b) 5,1% ligante-laca 02 (c) 5,3% ligante - Pligante-laca 03 (d) 5,3% ligante - Pligante-laca 04 (e) 5,5% ligante - Placa 05 (f) 5,5% ligante - Placa 06... 132
Figura 91. Deformação permanente - N. de ciclos x Afundamento, Mistura de módulo elevado teor 5.1%. ... 133
Figura 92. Deformação permanente - N. de ciclos x Afundamento, Mistura de módulo elevado teor 5.3%. ... 133
Figura 93. Deformação permanente - N. de ciclos x Afundamento, Mistura de módulo elevado teor 5.5%. ... 134
Figura 94. Deformação permanente - N. de ciclos x Afundamento, Mistura de módulo elevado teor 5.7%. ... 134
Figura 95. Mistura grave-bitume, placas após do ensaio de deformação permanente. ... 135
Figura 96. Cortes das placas (a) 4,3% ligante - Placa 01 (b) 4,3% ligante - Placa 02 (c) 4,5% ligante - Placa 03 (d) 4,5% ligante - Placa 04 (e) 4,7% ligante - Placa 05 (f) 4,7% ligante - Placa 06 (g) 4,9% ligante - Placa 07 (h) 4,9% ligante - Placa 08... 136
Figura 97. Deformação permanente - N. de ciclos x Afundamento, Mistura grave-bitume teor 4.3%. ... 137
Figura 98. Deformação permanente - N. de ciclos x Afundamento, mistura grave-bitume teor 4.5%. ... 137
Figura 99. Deformação permanente - N. de ciclos x Afundamento,
Mistura grave-bitume teor 4,7%. ... 138
Figura 100. Deformação permanente - N. de ciclos x Afundamento, Mistura grave-bitume teor 4.9%. ... 138
Figura 101. Mistura de módulo elevado, representação plano Cole-Cole. 142 Figura 102. Mistura de módulo elevado, representação curvas isotermas. 143 Figura 103. Mistura de módulo elevado, representação curvas isócronas. 143 Figura 104. Mistura de módulo elevado representação no espaço Black. . 144
Figura 105. Mistura de módulo elevado curva equivalência freqüência temperatura para 15°C... 145
Figura 106.Mistura grave-bitume, representação no plano Cole-Cole. ... 147
Figura 107. Mistura grave-bitume representação em curvas isotermas. ... 147
Figura 108. Mistura grave-bitume representação em curvas isócronas. .... 148
Figura 109. Mistura grave-bitume representação no espaço Black. ... 149
Figura 110. Mistura grave-bitume curva equivalência freqüência temperatura para 15°C... 150
Figura 111. Curva de fadiga mistura módulo elevado a 10°C e 25Hz. ... 153
Figura 112. Curva de fadiga mistura módulo elevado a 30°C e 25Hz. ... 156
Figura 113. Curva de fadiga mistura grave-bitume a 10°C e 25Hz. ... 159
Figura 114. Ruptura geral dos de corpos-de-prova aceitos. ... 160
Figura 115. Superfície de ruptura no ensaio de fadiga (a) pelo contorno dos granulares (b) ruptura com quebra dos granulares. ... 160
Figura 116. Tendência do ângulo de fase e força no ensaio de fadiga. ... 161
Figura 117. Evolução do ângulo de fase no ensaio de fadiga para mistura grave-bitume. ... 162
Figura 118. Evolução do ângulo de fase no ensaio de fadiga para mistura de módulo elevado. ... 163
Figura 119. Influência do teor de ligante na compacidade no nível dos 80 giros. ... 166
Figura 120. Influência do teor de ligante na compacidade no nível dos 100 giros. ... 167
Figura 121. Comparação das misturas asfálticas. ... 168
Figura 122. Comparação da resistência a compressão simples . ... 170
Figura 123. Mistura de módulo elevado, variação do afundamento em função do teor de ligante. ... 171
Figura 124. Evolução da deformação permanente por placa com o incremento do teor de ligante. ... 171
Figura 125. Afundamento nos 30000 ciclos, com o incremento do teor de ligante. ... 172
Figura 126. Comparação do ensaio de deformação permanente, mistura grave-bitume. ... 173
Figura 127. Evolução da deformação permanente com o incremento do teor de ligante. ... 174
Figura 128. Afundamento no nível dos 10000 ciclos e 30000, com o incremento do teor de ligante. ... 174 Figura 129. Comparação do módulo complexo das misturas asfálticas
em no plano Cole-Cole. ... 177 Figura 130. Comparação da susceptibilidade térmica das misturas em
representação de curvas isotermas. ... 178 Figura 131. Comparação da mistura de módulo elevado e mistura
grave-bitume, para uma temperatura equivalente de 15°C. ... 179 Figura 132. Comparação entre as curvas de fadiga. ... 182 Figura 133. Deformação correspondente para um milhão de ciclos no
ensaio de fadiga à temperatura do ensaio. ... 183 Figura 134. Variação de tau com a temperatura. ... 184 Figura 135. Representação da mistura de módulo elevado no modelo
de Huet-Sayegh. ... 185 Figura 136. Representação da mistura grave-bitume no modelo de
Huet-Sayegh. ... 185 Figura 137. Estrutura do pavimento tipo analisado. ... 189 Figura 138. Estruturas do pavimento para a temperatura equivalente
de 15°C e 10Hz. ... 190 Figura 139. Estruturas do pavimento para a temperatura de 30°C e 10Hz.
... 191 Figura 140. Sinal de deformação alternativa I, temperatura
equivalente de 15°C e velocidade de 72km/hr. ... 192 Figura 141. Sinal de deformação alternativa II, temperatura
equivalente de 15°C e velocidade de 72km/hr. ... 192 Figura 142. Sinal de deformação alternativa III, temperatura
equivalente de 15°C e velocidade de 72km/hr. ... 193 Figura 143. Sinal de deformação alternativa III, temperatura
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Teor mínimo de ligante para as misturas de módulo elevado ... 14
Tabela 2. Propriedade mecânica mínimas para misturas de módulo elevado (SETRA, 1997). ... 15
Tabela 3. Indicativo de variação do módulo a 10 Hz (MPa), para as diferentes temperaturas (SETRA-LCPC, 1997). ... 15
Tabela 4. Resumo dos parâmetros da mistura de módulo elevado ... 16
Tabela 5. Teor de ligante mínimo para as misturas grave-bitume... 17
Tabela 6. Granulométrica recomendada para misturas grave-betume e módulo elevado, diâmetro máximo 14mm ou 20mm (LCPC, 2007). ... 17
Tabela 7. Propriedade mecânica mínimas para misturas grave–bitume ... 18
Tabela 8. Indicativo de variação do módulo complexo a 10 Hz (MPa), para as diferentes temperaturas (SETRA-LCPC, 1997). ... 18
Tabela 9. Resumo dos parâmetros mistura grave-bitume (LCPC, 2007). ... 19
Tabela 10. Configurações das pista experimental testada na França 1992-1994 (Corte et al., 1994). ... 20
Tabela 11. Produção de misturas de módulo elevado de o ano 1989 a 1995 (SETRA, 1997). ... 21
Tabela 12. Propriedades das misturas de módulo elevado estudadas por (PERRET et al., 2004). ... 22
Tabela 13. Granulometrias de misturas de módulo elevado estudadas no Brasil (RODHE, 2007). ... 23
Tabela 14. Funções descritas por Cristian Huet (1963). ... 42
Tabela 15. Características dos ligantes utilizados por (OLARD, 2003)... 62
Tabela 16. Temperaturas de superposição das misturas a mistura de referência (OLARD, 2003). ... 64
Tabela 17. Características em fadiga e modo contínuo para misturas GB3 e 4,6% de ligante 50/70 (DOMEC, 2005)... 72
Tabela 18. Resultados de fadiga para diferentes condições de ensaio (De La Roche 1997). ... 73
Tabela 19. Classes de capacidade de suporte da superfície (AR) ... 81
Tabela 20. Classes de capacidade da plataforma de fundação (PF) ... 81
Tabela 21. Definição da classe de tráfego (SETRA-LCPC, 1997). ... 81
Tabela 22. Comparação de estruturas GB – EME (BROSSEAUD, 2006) . 82 Tabela 23. Características dos agregados. ... 85
Tabela 24. Características dos ligantes utilizados. ... 86
Tabela 25. Temperatura de mistura e compactação. ... 87
Tabela 26. Espessuras de utilização das misturas de módulo elevado e grave-bitume. ... 88
Tabela 27. Distribuição granulométrica da misturas do estudo... 89
Tabela 29. Teores de ligante mínimos e teores de ligante adotados. ... 94 Tabela 30. Massa volumétrica da mistura grave-bitume. ... 94 Tabela 31. Massa volumétrica da mistura de módulo elevado. ... 94 Tabela 32. Condições de ensaio Duriez em função do diâmetro D. ... 99 Tabela 33. Dimensões dos corpos de prova para o ensaio de módulo
complexo e resistência à fadiga. ... 109 Tabela 34. Volumem de vazios no nível dos 80 giros. ... 120 Tabela 35. Volume de vazios no nível dos 100 giros. ... 123 Tabela 36. Mistura de módulo elevado, tensão de ruptura. ... 126 Tabela 37. Mistura grave-bitume, tensão de ruptura. ... 129 Tabela 38. Volume de vazios das placas para ensaio de deformação
permanente. ... 130 Tabela 39. Mistura grave-bitume, ensaio de deformação permanente. .... 135 Tabela 40. Propriedades volumétricas das placas para modulo e fadiga. .. 140 Tabela 41. Desvio padrão do Vv e coeficiente de variação K dos corpos
de-prova selecionados para ensaio de módulo e fadiga. ... 140 Tabela 42. Resultados do ensaio de módulo complexo, mistura EME. ... 141 Tabela 43. Resultados do ensaio de módulo complexo, mistura GB... 146 Tabela 44. Ensaio de fadiga 10°C e 25Hz mistura de módulo elevado. ... 152 Tabela 45. Valores característicos das curvas de fadiga 10°C e 25Hz. ... 154 Tabela 46. Ensaio de fadiga 30°C e 25Hz mistura de módulo elevado. .... 155 Tabela 47. Valores característicos das curvas de fadiga a 30°C e 25Hz. .. 157 Tabela 48. Ensaio de fadiga 10°C e 25Hz mistura grave-bitume. ... 158 Tabela 49. Valores característicos das curvas de fadiga a 10°C e 25Hz. .. 160 Tabela 50. Parâmetros do modelo de Huet-Sayegh. ... 183 Tabela 51. Coeficientes de risco adotados. ... 187 Tabela 52. Deformações admissíveis dos materiais betuminosos
temperatura de referência 15°C. ... 187 Tabela 53. Deformação admissível calculada a partir da curva de
fadiga a 30°C. ... 188 Tabela 54. Dimensionamento para um a temperatura de referência
15°C e 10Hz. ... 190 Tabela 55. Dimensionamento para estrutura com mistura de módulo
LISTA DE SÍMBOLOS Dmáx diâmetro máximo
n expoente da curva granulométrica %p percentagem passante
K módulo de riqueza
6 deformação para um milhão de solicitações.
s segundos
MVR massa volumétrica real MVA massa volumétrica aparente
R tensão de ruptura a compressão simples sem condicionamento na água
r tensão de ruptura a compressão simples com condicionamento na água
Vvi volume de vazios mínimo Vvs volume de vazios máximo
def microdeformações t toneladas
X1 eixo móvel na direção x
X2 eixo móvel na direção y
X3 eixo móvel na direção z
x1 eixo fixo na direção x
x2 eixo fixo na direção y
x3 eixo fixo na direção z
densidade E módulo de elasticidade U deslocamento pulsação t tempo v velocidade 𝛁 operador de Laplace
cp velocidade das ondas de compressão
cs velocidade das ondas de cisalhamento
𝜆, 𝜇 coeficientes elasticos de Lamé
g gravedade
deformação
tensão
f frequência
o amplitude de deformação R módulo de relaxação
* deformação complexa
* tensão complexa
ângulo de defasagem
E1 parte real do módulo, associado à energia recuperada E2 parte imaginária do módulo, associado à energia perdida N número de aplicação das solicitações
S solicitação (tensão ou deformação) b inclinação da curva
a constante
S* solicitação complexa senoidal R* resposta complexa senoidal Sm amplitude da solicitação
Rm amplitudes da resposta
Nf duração de vida
E módulo instantâneo do modelo de Huet-Sayegh
Eo módulo estático para situações de baixas frequências e elevadas
temperaturas
k, h parâmetros dos elementos parabólicos do modelo Huet-Sayegh
função da natureza do betume e curva granulométrica,
tempo de relaxação dos amortecedores
SN desvio padrão dos resíduos do ensaio de fadiga Sh dispersão sobre a espessura da camada u variável associada ao risco
desvio-padrão da distribuição do log(N) para 106 ciclos
T fator de translação
° graus
°C graus centigrados
K desvio padrão do coeficiente de forma d abertura da peneira P deformação permanente E* módulo complexo K coeficiente de força K coeficiente de forma tr translações V volume C compacidade
LISTA DE ABREVIAÇÕES BBM Béton Bitumineux Mince
BBTM Béton Bitumineux Très Mince
BBDr Béton Bitumineux Drainant
BBUM Béton Bitumineux Ultra Mince E M E Enrobés à Module Elevé
GB Grave-Bitume
BBSG Béton Bitumineux Semi-Grenu
BBS Béton Bitumineux pour chaussée Souple à faible trafic
GTN Granulares Não Tratados
CAP Cimento Asfáltico de Petróleo
D N E R Departamento Nacional De Estradas De Rodagem PCG Prensa de Cisalhamento Giratório
SETRA Service d’Études Techniques des Routes et Autoroutes
RV Resíduo de vácuo
LCPC Laboratoire Central des Ponts et Chausseés EPUSP Escola Politecnica da Universidade de São Paulo LPC Laboratoire Des Ponts Et Chausseés
NF Norma Francesa
RILEM Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux
PST Parte Superior de Terraplenagem AR Superficie do arado de Terraplenagem
PF Plate-Forme
MJA Tráfego Médio Diário Anual
T Tráfego
1 I N T R O D U Ç Ã O
1 . 1 C O N S I D E R A Ç Õ E S I N I C I A I S
Os pavimentos em concreto asfáltico, os mais usados no mundo, são aplicados desde locais de climas frios a locais de clima quente, quer em ambientes secos a úmidos, no nível do mar a grandes altitudes, sob solicitação de tráfego leve a pesado, e ainda, em vias de tráfego lento a vias de tráfego rápido.
O concreto asfáltico é caracterizado por ser um material viscoelástico termicamente susceptível, têm seu comportamento mecânico dependente da temperatura, da velocidade de aplicação da carga e do ambiente. Sob temperaturas mais elevadas, os concretos asfálticos são menos rígidos, sob solicitação de elevadas frequências são mais rígidos. Torna-se, pois, um desafio conhecer completamente o comportamento deste material para aplicá-lo de modo a tirar o maior proveito.
Por outro lado, a fadiga deste material também depende destes fatores. Com o aumento da freqüência, a deformação na fadiga pode ser diminuída, a resistência à fadiga também é dependente da temperatura. Tendo em conta que os concretos asfálticos oferecem maior risco da ocorrência de deformação permanente (trilhas de rodas) em locais de temperaturas mais elevadas, parece conveniente usar cimentos asfálticos com consistência elevada para mitigar estes riscos da formação das trilhas de rodas nas vias. Estes são defeitos do pavimento que causam enorme redução do conforto ao usuário e aumento dos riscos de acidente. É, pois, um parâmetro essencial de controle de qualidade do pavimento.
Existem diversas metodologias de formulação das misturas de concreto asfáltico (RILEM, 1998); simples receitas, empíricas, por cálculos analíticos, empíricas com alguma tentativa de aplicação racional, por propriedades volumétricas e a metodologia por ensaios fundamentais, que aplica ensaios que simulam em laboratório o comportamento observado no campo (LCPC, 2007).
A metodologia de formulação por ensaios fundamentais vem sendo desenvolvida há anos na França, definindo diferentes tipos de misturas asfálticas, segundo sua funcionalidade, com o propósito de garantir a qualidade de um bom pavimento de maneira que seja durável e que atenda a funcionalidade em parâmetros controlados de conforto e segurança.
Nesta ótica, a concepção das camadas do pavimento pode ser abordada segundo a função que vão desempenhar, isto é, em camadas que tem função de superfície para garantir os parâmetros de segurança e conforto, e em camadas que tem função estrutural para garantir que a estrutura resista íntegra por todo o horizonte de projeto.
Sendo assim, existem misturas formuladas de concreto asfáltico especificamente para serem camadas de superfície, como as seguintes:
Misturas finas (Béton Bitumineux Mince - BBM);
Misturas muito finas (Béton Bitumineux Très Mince - BBTM);
Concretos asfálticos drenantes (Béton Bitumineux Drainant - BBDr);
Misturas ultra finas (Béton Bitumineux Ultra Mince - BBUM).
E existem as misturas asfálticas formuladas de modo a privilegiar as funções estruturais do pavimento, tais com as seguintes:
Misturas asfálticas de módulo elevado para camadas de base (Enrobés à Module Elevé - EME);
Misturas grave-bitume para camadas de base (Grave-Bitume – GB).
Tendo em conta a grande diversidade de misturas para aplicar nos pavimentos, o presente trabalho fixa a atenção na preparação de misturas asfálticos com função estrutural Na situação particular do Brasil, e parte da Colômbia, que são países tropicais quentes, e considerando que há uma corrente de engenheiros de pavimentos que está buscando empregar ligantes asfálticos mais duros, o presente estudo fixa atenção no uso dos cimentos asfálticos de elevada consistência na preparação de misturas asfálticas com função estrutural, de base e sub-base (fundation).
A metodologia por ensaios fundamentais de preparação de misturas asfálticas, em primeiro nível, verifica a habilidade à compacidade e a sensibilidade da mistura à água; em segundo nível, verifica a resistência à deformação permanente; em terceiro nível, determina o módulo complexo da mistura no espectro de temperaturas de -10ºC a 40ºC e no espectro de frequência de 1Hz a 30Hz; e no último nível, realiza a avaliação da mistura à fadiga, notadamente para rodovias com tráfego pesado e canalizado.
Em se tratando de metodologia por ensaios fundamentais, os resultados destes são empregados no dimensionamento da estrutura do pavimento que é realizada segundo as metodologias desenvolvidas pelo Service d’Études Techniques des Routes et Autoroutes (SETRA) e Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC).
Neste contexto, o estudo ocupa-se com a avaliação do comportamento mecânico de duas misturas de concreto asfáltico: uma denominada de grave-betume (GB) e outra denominada de módulo elevado (EME), ambas utilizando ligantes asfálticos de elevada consistência (grave-betume com ligante do tipo CAP 30/45 e EME com ligante de resíduo de vácuo com penetração 10/20) e preparadas utilizando a metodologia de formulação por ensaios fundamentais.
Para a efetiva avaliação das misturas serão determinados os parâmetros viscoelásticos intrínsecos às misturas asfálticas para definir o modelo reológico de comportamento de Huet-Sayegh. Estes parâmetros serão aplicados na modelação das respostas do pavimento considerando a carga em movimento (velocidade de deslocamento), e as temperaturas no programa ViscoRoute desenvolvido pelo Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC).
1 . 2 O B J E T I V O S D O T R A B A L H O 1 . 2 . 1 Ob je tiv o g era l
Avaliar o desempenho mecânico de misturas asfálticas preparadas com ligantes de elevada consistência quanto aos parâmetros intrínsecos: módulo complexo e fadiga.
1 . 2 . 2 Ob je tiv o s e sp ecíf ico s
Para alcançar o objetivo principal, aplicar a metodologia francesa de formulação de misturas asfálticas e cumprir os requerimentos nos níveis de formulação para misturas de módulo elevado (EME 2) e grave-bitume (GB 3) utilizando as normas NF P 98-140, 1992 e NF P 98 -138, 1992 respectivamente, de maneira que as misturas alcancem o melhor desempenho. Para isto, são fixados os seguintes objetivos específicos:
Definir a distribuição granulométrica para cada tipo de mistura, através da equação de Fuller-Talbot.
Definir os teores mínimos de ligantes a partir do conceito de módulo de riqueza, da superfície específica e da massa volumétrica dos granulares. Avaliar, com incrementos de 0,2%, cinco teores diferentes para cada mistura na seqüência de ensaios de formulação.
Avaliar a compacidade das misturas asfálticas no ensaio de compactação por cisalhamento giratório (PCG) (NF P 98-252, 1999) em função do teor de ligante para cada composição granulométrica.
Avaliar a sensibilidade à água no ensaio Duriez (NF P 98-251-1, 1995) das misturas que cumpram o critério de compacidade no ensaio de compactação por cisalhamento giratório.
Realizar ensaios de deformação permanente (NF P 98-253-1, 1993), moldando duas placas por cada composição a avaliar.
Determinar o módulo complexo da mistura de módulo elevado e da mistura grave-bitume utilizando a norma (NF P 98-260-2, 1992), sendo previamente selecionado nos níveis de formulação um teor de ligante para cada tipo de mistura. Realizar os ensaios de módulo complexo mediante deslocamento senoidal controlado e flexão alternada, no espectro de temperaturas de -10°C a 40°C e freqüências de 1Hz a 30Hz.
Realizar ensaios de fadiga das misturas utilizando a norma (NF P 98-261-1, 1993), mediante flexão alternada em modo contínuo e deslocamento controlado. Avaliar três níveis de deformação para cada curva de fadiga (mistura de módulo elevado e mistura grave-bitume) e desenhar em escala logarítmica o nível de deformação versus número de ciclos correspondente com o critério de ruptura e determinar a curva de fadiga característica de cada material.
Dimensionar uma estrutura de pavimento hipotética através dos procedimentos normativos do manual de dimensionamento Francês desenvolvido pelo Service d’Études Techniques des Routes et Autoroutes (SETRA) e Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC). Verificar as respostas da estrutura do pavimento pela
aplicação do programa ViscoRoute que considera a carga em movimento e comportamento viscoelástico das camadas de concreto asfáltico através do modelo reológico de comportamento de Huet-Sayegh.
A Figura 1, apresenta o resumo dos ensaios executado para alcançar o objetivo.
6
Figura 1. Resumo da matriz de ensaios.
Etapa experimental Mistura EME CAP10/20 (RV) Mistura GB CAP30/45 Dmáx = 15,9mm %p200 = 7% Expoente da curva (n) = 0,50 Dmáx= 15,9mm %p200 = 5% Expoente da curva (n) = 0,56 Módulo de riqueza (K) 3,42 3,56 3,70 3,84 3,99 2,87 3,02 3,17 3,32 3,46 Teor de ligante 5,1% 5.3% 5,5% 5,7% 5,9% 4,1% 4.3% 4.5% 4.7% 4,9% PCG 3CP 3CP 3CP 3CP 3CP 3CP 3CP 3CP 3CP 3CP Duriez 12CP 12CP 12CP 12CP 12CP 12C P 12C P 12C P 12CP Deformação permanente 2* 2* 2* 2* 2* 2* 2* 2*
Módulo Complexo e Fadiga 2** 2** *Placas de 18cm x 50cm e espessura de 10cm; ** Placas de 40cm x 60cm e espessura de 12cm.
1.3 RELEVÂNCIA DO TEMA
A pesquisa aprimora no conhecimento do comportamento reológico e na fadiga de misturas asfálticas formuladas com ligantes de elevada consistência, com ensaios específicos da metodologia francesa, empregando materiais diretamente de usina sem nenhuma modificação dos ligantes.
A formulação das misturas de concreto asfáltico é realizada de acordo com sua função estrutural para camada de base e sub-base (fundation), de maneira que alcancem as melhores características mecânicas desejáveis, em relação ao módulo complexo e a resistência à fadiga das misturas grave-bitume e de módulo elevado produzidas com ligantes de elevada consistência CAP 30/45 e resíduo de vácuo com penetração 10/20.
Estas misturas têm a particularidade de apresentar tanto elevada rigidez quanto sua resistência em fadiga. O emprego de misturas de elevada rigidez e resistência à fadiga, além de permitir a construção de pavimentos de melhor qualidade, contribui no aumento da vida útil dos pavimentos, possibilitando reduzir as espessuras das camadas em rodovias de tráfego canalizado ou extremamente pesado. Na concepção destas misturas é comum utilizar ligantes de maior consistência ao invés de asfaltos convencionais por serem menos suscetíveis termicamente.
Os grandes volumes de tráfego, as cargas elevadas e os grandes gradientes de temperatura produzem a deterioração prematura do pavimento, sendo mais interessante utilizar ligantes de maior consistência onde teoricamente são menos suscetíveis às variações de temperatura e resistentes a problemas associados à deformação permanente sob condições de temperaturas elevadas.
Dois parâmetros que estão intimamente ligados ao dimensionamento e comportamento do pavimento são a rigidez, que é levada em conta através do módulo complexo por tratar-se de um material viscoelástico e a deformação admissível determinada a partir do ensaio de fadiga em flexão alternada. Neste trabalho são verificadas no dimensionamento as respostas do pavimento, considerando seu comportamento viscoelástico e a carga em movimento de uma maneira mais racional.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O trabalho está organizado da seguinte forma:
Capítulo 1: Introdução ao tema de pesquisa vislumbrando ao leitor os objetivos e o enfoque da pesquisa.
Capítulo 2: Formulação de misturas asfálticas – Metodologia Francesa. É feita uma breve descrição dos níveis de formulação, propriedades mecânicas das misturas asfálticas de módulo elevado e misturas grave-bitume e uma breve revisão das experiências com ligantes de elevada consistência.
Capítulo 3: Comportamento mecânico dos concretos asfálticos. É realizada uma revisão dos tipos de estruturas de pavimentos, tipos de solicitações, comportamento viscoelásticos dos concretos asfálticos, e a influência dos constituintes no comportamento da mistura.
Capítulo 4: Materiais e metodologia. É realizada uma descrição dos materiais, formulação e composição das misturas que foram objeto da pesquisa, curvas granulométricas, descrição da seqüência de ensaios e procedimentos laboratoriais.
Capítulo 5: Resultados Experimentais. São apresentados os resultados do ensaio de compactação por cisalhamento giratório, de sensibilidade à água no ensaio Duriez, de profundidade de afundamento no ensaio de deformação permanente, a representação gráfica do ensaio de módulo complexo e as curvas de fadiga das misturas ensaiadas.
Capítulo 6: Exploração dos resultados. É realizada a discussão dos resultados experimentais, representação do modelo reológico de comportamento viscoelástico de Huet Sayegh e dimensionamento racional do pavimento considerando variáveis intrínsecas ao material, módulo complexo e resistência à fadiga.
2 F O R M U L A Ç Ã O D E M I S T U R A S A S F Á L T I C A S 2 . 1 I N T R O D U Ç Ã O
As misturas asfálticas utilizadas na França são definidas pelas normas e caracterizadas por abordagem através de ensaios fundamentais, verificando o desempenho da mistura asfáltica em cada nível de formulação.
Como materiais estruturais podem ser classificados como uma abordagem fundamental, sendo realizada inicialmente uma análise volumétrica da mistura levando em conta o uso da prensa de compactação por cisalhamento giratório. Este ensaio direciona a formulação da mistura e pode ser utilizado para todos os tipos de misturas usinadas a quente.
Este contexto é caracterizado pela diversidade de pavimentos e técnicas usadas na formulação de misturas asfálticas como, por exemplo: bases de camadas tratadas com cimento hidráulico ou betuminoso, material granular não tratado e pavimentos de concreto hidráulico (SETRA-LCPC, 1997). A partir dos componentes selecionados (agregados, material de enchimento, ligantes e aditivos) é realizada uma sequência de ensaios para descrever o comportamento da mistura asfáltica.
Esta sequência é escolhida com base no nível de ensaio requerido, de 1 até 4, realizando-se alternativamente ensaios complementares. O nível de ensaio depende geralmente do tipo de mistura, da posição da camada, da mistura asfáltica, da espessura, e tráfego previsto (LCPC, 2007).
As camadas de concreto asfáltico são concebidas segundo a função que vão desempenhar no pavimento, seja em camadas com função de superfície ou de função estrutural. Em conjunto procuram-se as qualidades de um bom pavimento garantindo segurança, conforto e durabilidade. Esta concepção centra-se no desempenho e nas características mecânicas da mistura, através do ensaio de módulo complexo, estudado segundo a norma (NF P 98-260-2) e a fadiga do material através do ensaio (NF P 98-261-1) (SETRA-LCPC, 1997).
Os parâmetros medidos experimentalmente das misturas asfálticas, a rigidez medida no ensaio de módulo complexo e a deformação admissível calculada a partir dos dados experimentais do ensaio de fadiga para um número de eixos equivalentes, são utilizadas de maneira direta no dimensionamento da estrutura do pavimento.
Segundo a metodologia de formulação francesa, três factores estão fortemente ligados e interdependentes:
O primeiro concerne ao grupo de propriedades físicas, químicas e mecânicas consideradas como necessárias para avaliar o desempenho dos constituintes e da mistura;
O segundo ao grupo dos ensaios e métodos para fazer a medição das propriedades volumétricas e mecânicas;
O terceiro ao grupo de valores admissíveis determinados experimentalmente, os quais são função das propriedades requeridas para o dimensionamento.
2 . 2 N Í V E I S D E F O R M U L A Ç Ã O
A percentagem de vazios ou compacidade da mistura é o parâmetro mais importante na sua formulação, uma vez que as propriedades mecânicas são dependentes das relações volumétricas do esqueleto granular e do tipo de ligante.
A percentagem de vazios ou a compacidade avaliada no ensaio de compactação por cisalhamento giratório é a primeira exigência para uma mistura asfáltica. Esta exigência relaciona-se às características procuradas de textura (aderência), durabilidade (resistência à água, resistência à fadiga, e deformação permanente), e varia em relação ao tipo de mistura, função e solicitações a que será submetida (LCPC, 2007).
A dosagem das misturas asfálticas é um processo que começa com a seleção dos componentes que normalmente são definidos pela disponibilidade local ou pelo projetista. O conhecimento das características da mistura é importante, sendo útil para ajustar sua composição de maneira que os resultados sejam consistentes com as especificações para a mistura estudada. O procedimento envolve a adaptação da fórmula, que posteriormente se junta aos ensaios especificados para o teste e nível de formulação respectivo.
Os níveis de formulação da metodologia francesa são:
No nível 0 corresponde às especificações e características mínimas dos constituintes da mistura (ligantes, granular graúdo, fino e filer). No nível 1 avalia-se a habilidade com que a mistura aceita
compactação, no ensaio de compactação por cisalhamento giratório e a sensibilidade à água da mistura asfáltica no ensaio de imersão e compressão simples Duriéz. No âmbito da normalização francesa o princípio do ensaio de compressão simples consiste na compactação por pressão estática de dupla ação. Um lote de corpos-de-prova são conservados a 18°C, em umidade controlada, e outro lote é submerso na água a 18°C. É determinada a relação entre as resistência seco e submerso. A resistência a seco e a compacidade são indicadores adicionais ao ensaio de compatação por cisalhamento giratório.
No nível 2 avalia-se o potencial de afundamento no ensaio de deformação permanente. Realizado em condições controladas de temperatura, este nível pode ser avaliado nos 10000 ciclos ou nos 30000 ciclos, isto é função do tipo de mistura asfáltica. Para o ensaio de deformação permanente, o corpo-de-prova é uma placa retangular de 5 cm ou 10 cm de espessura e dimensões 18cmx50cm. A placa é submetida à passagem de uma roda equipada com um pneumático a uma frequência de 1Hz, carga de 5kN, pressão de 6 bar e temperatura controlada de 60°C. As especificações abrangem uma percentagem de máxima para o a profundidade do afundamento para um determinado número de ciclos, dependendo do tipo e classe de mistura asfáltica.
No nível 3 verifica-se a rigidez da mistura asfáltica, determinada pelo módulo complexo através de solicitação sinusoidal em corpos-de-prova trapezoidais ou por tração uniaxial em corpos de corpos-de-prova cilíndricos. Este ensaio permite desenhar a curva representativa do material e conhecer a rigidez da mistura em um amplo espectro de tempos de carga ou de frequências.
O nível 4 corresponde ao ensaio de fadiga realizado sobre corpos-de-prova trapezoidais a uma temperatura de 10°C e 25Hz. Este último nivel de formulação centra-se na determinação da deformação do material para um milhão de solicitações (. Este ensaio é realizado em flexão alternada e deformação senoidal de amplitude constante (deformação contralada).
A Figura 2, ilustra os níveis da formulação dos concretos asfálticos segundo a metodologia francesa.
Figura 2. Resumo dos níveis de formulação (LCPC, 2007).
2 . 3 M I S T U R A S A S F Á L T I C A S C O M F U N Ç Ã O D E S U P E R F Í C I E
A separação das camadas, segundo sua função, permite formular misturas asfálticas com características superficiais que garantam segurança e conforto, com a possibilidade da seleção da mistura mais adequada para cada projeto específico, deixando a resistência mecânica para as camadas com função estrutural.
A camada de superfície deve garantir suficiente macrotextura e microtextura, assegurando a aderência entre o pneu e o pavimento na frenagem do veículo e em condições climáticas variadas de chuva e temperatura. As microtexturas são as asperezas da superfície com dimensões de comprimento de onda de 0,0 a 0,5mm no domínio da textura do agregado mineral. A microtextura indica a propriedade dos agregados em apresentar uma superfície áspera capaz de perfurar o filme da água da chuva residual no contato do pneu com o pavimento e oferecer atrito entre eles. A dirigibilidade é conseguida pela microtextura, pois permite a estabilidade veicular nas acelerações e desacelerações (MOMM, 1998).
No grupo de misturas asfálticas, concebidas com características funcionais de superfície na metodologia de formulação de misturas francesas, distinguem-se:
Misturas para camadas de rolamento convencional ou para camadas de ligação: Béton Bitumineux Semi-Grenu (EB-BBSG),
Nível 1: PCG e Duriez
Nível 2: Deformação permanente
Nível 3: Módulo Complexo
Béton Bitumineux pour chaussée Souple à faible trafic (EB-BBS), Béton Bitumineux à Module Élevé (EB-BBME);
Camadas delgadas para camadas de rolamento: Béton Bitumineux Mince (EB-BBM); Béton Bitumineux Très Mince (BBTM); Béton Bitumineux Ultra Mince (BBUM);
Camadas drenantes: Béton Bitumineux Drainant(BBDr).
Cada uma delas subdivide-se em classes e os níveis de formulação e especificações variam de acordo com cada tipo de mistura. 2 . 4 M I S T U R A S A S F Á L T I C A S C O M F U N Ç Ã O
E S T R U T U R A L
As camadas do pavimento são projetadas para que, em conjunto, resistam às solicitações impostas pelo tráfego e às condições ambientais. As camadas de base e sub-base (fundation) são as responsáveis por dissipar a intensidade da carga levando esta a um nível admissível ao solo de fundação.
Estas camadas são geralmente construídas com materiais não tratados, ou tratados com ligante hidráulico, conveniente quando o volume de tráfego e a intensidade da carga são baixos. Uma solução alternativa para rodovias de tráfego pesado e intenso é utilizar camadas asfálticas espessas para as camadas de base e sub-base (fundation), sendo utilizadas na França as misturas de módulo elevado e as misturas grave-bitume para este propósito.
Estas misturas têm a particularidade de utilizar ligantes de elevada consistência, geralmente ligante CAP10/25 para misturas de módulo elevado (EME) e ligante CAP30/45 para misturas grave-bitume (GB) podendo ser utilizado também CAP50/70.
2 . 4 . 1 Mistu ra s a sf á lt ica s d e mód u lo ele vad o ( E n ro b és à
Mo d u le É levé N F P 98 - 1 4 0 )
As misturas de módulo elevado constituem uma técnica moderna, particularmente de desempenho para aplicar em situações de tráfego agressivo, contribuindo ao conceito de desenvolvimento durável à redução das espessuras, o que conduz a uma economia (BROSSEAUD, 2006). Estas misturas tiveram sua origem na França, com o objetivo inicial de reforçar rodovias existentes com misturas do tipo BBME, sendo aplicadas nas camadas de superfície (ligação ou de rolamento).
Isto permitiu que, paralelamente, fossem desenvolvidas as misturas de módulo elevado para pavimentos novos utilizadas nas camadas estruturais (base e sub-base) do pavimento.
A norma francesa de misturas de módulo elevado (NF P 98-140) prevê duas classes de misturas. A classe 1, que é similar a uma mistura GB classe 2 com baixo teor de ligante. E a classe 2, com que têm uma dosagem em ligante mais elevado, conduzindo a uma percentagem de vazios menor e uma boa resistência à fadiga. A rigidez do ligante aporta um módulo elevado e boa resistência à deformação permanente, conduzindo a uma redução das espessuras das camadas do pavimento (SETRA-LCPC, 1997).
As espessuras das camadas são calculadas racionalmente, porém existem recomendações quanto à espessura mínima de utilização em função do tamanho máximo nominal da composição granulométrica. Segundo a granulometria podem-se formular três tipos de misturas em função do tamanho máximo do agregado 0/10, 0/14 ou 0/20. As espessuras são compreendidas entre 6cm e 8cm para uma mistura EME 0/10, entre 7cm e 13cm para uma misturas EME 0/14 e entre 9cm até 15cm para uma mistura EME 0/20.
A percentagem de vazios é inferior a 10% para a mistura de módulo elevado classe 1 e inferior a 6 % para a mistura de módulo elevado classe 2. Cada classe tem um nível de propriedades mecânicas diferentes, que são procuradas na formulação através dos diferentes ensaios dependendo da composição volumétrica da mistura. O teor de ligante mínimo é calculado a partir da superfície específica, da massa volumétrica dos granulares e do módulo de riqueza mínimo.
Para as misturas de módulo elevado classe 1 o módulo de riqueza mínimo é K = 2,5, em torno de 4,0% de ligante, e para as misturas de módulo elevado classe 2, o módulo de riqueza é K = 3,4 em torno de 5,4% de ligante. Na Tabela 1, é apresentado os diferentes teores de ligantes em função da massa volumétrica dos granulares (MVR) de 2,65g/cm3 e 2,75g/cm3.
Tabela 1. Teor mínimo de ligante para as misturas de módulo elevado
(LCPC, 2007). Mistura EME 1 0/10 ou 0/14 EME 1 0/20 EME 2 0/10 ou 0/14 EME 2 0/20 Módulo de riqueza 2,5 3,4
Teor de ligante mínimo para MVR 2,65g/cm3
4,0 4,0 5,4 5,3
Teor de ligante mínimo para MVR 2,75g/cm3
As misturas de módulo elevado classe 1 são mais utilizadas onde existe fluxo de tráfego canalizado ou problemas de deformação permanente por ter um teor de ligante menor. As misturas de módulo elevado classe 2 têm desempenho superior sendo mais comum sua utilização (BROSSEAUD, 2006). As propriedades mecânicas para estas misturas estão apresentadas, na Tabela 2.
Tabela 2. Propriedade mecânica mínimas para misturas de módulo elevado
(SETRA, 1997).
Classe Granulométria r/R
Módulo Fadiga Deformação
15 C 10Hz (MPa) 10 C 25 Hz Permanente ciclos % Classe 1 0/10, 0/14 ou 0/20 0,70 14000 100 30000 7,5 Classe 2 0/10, 0/14 ou 0/20 0,75 14000 130 30000 7,5 r e R; Tensão de ruptura a compressão simples no ensaio Duriez, dos corpos de prova condicionados na água e a seco;
As propriedades do ligante são importantes nas características da misturas de módulo elevado, onde os ligantes utilizados devem ter uma penetração baixa 10/25 (1/10) mm, e aplica-se para camadas estruturais do pavimento nas camadas de base ou sub-base (fundation).
O valor do módulo complexo varia em função da temperatura e da freqüência da solicitação para uma frequência constante em 10Hz e variando a temperatura de -10°C até 40°C, Pode-se acompanhar na Tabela 3, a tendência de diminuição do módulo complexo com o aumento da temperatura (SETRA-LCPC, 1997).
Tabela 3. Indicativo de variação do módulo a 10 Hz (MPa), para as
diferentes temperaturas (SETRA-LCPC, 1997).
Temperatura -10°C 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C
EME classe 1 e 2 30000 24000 17000 11000 6000 3000 O nível de formulação da mistura inicia-se pela seleção dos constituintes, que devem cumprir parâmetros característicos mínimos, definidos pelas respectivas normas de desgaste, angularidade, teor de finos, e poder de rigidificação. Neste contexto, as misturas de módulo elevado são avaliadas por parâmetros segundo o nível de formulação. Inicia-se com a verificação da composição granulométrica no ensaio de compactação por cisalhamento giratório, no qual a mistura de módulo elevado classe 1 deve ter um volume de vazios inferior a 10% para 80,
100, 120 giros em função do tamanho máximo do granular, e para a mistura de módulo elevado classe 2 inferior a 6%.
Uma vez ajustada a composição granulométrica, de maneira que garanta os requisitos de compacidade, é avaliada a resistência à água no ensaio Duriez, onde a relação entre a resistência a seco e úmido após de sete dias de condicionamento deve ser superior a 70%. O processo de formulação continua com a verificação da deformação permanente, onde as placas devem ter um volume de vazios inferior a 10% para a mistura de módulo elevado classe 1, e inferior a 6% para a mistura de módulo elevado classe 2. Sendo que a profundidade de deformação permanente após 30000 ciclos, sob condicionamento de temperatura a 60°C, deve ser inferior a 7,5% para os dois tipos de misturas. O módulo complexo medido a 15°C e 10Hz deve ser igual ou superior a 14000 MPa. E a deformação para um milhão de ciclos medida no ensaio de fadiga a 10°C e 25Hz, deve ser superior a 100def para a classe 1 e 130 def para a classe 2. Estes são parâmetros de formulação, sendo que no dimensionamento são utilizados os valores obtidos experimentalmente para cada tipo de mistura (Tabela 4).
Tabela 4. Resumo dos parâmetros da mistura de módulo elevado
(LCPC, 2007).
Classificação EME 1 EME 2
Relação da resistência r/R, (imersão compressão) r/R ≥ 0,70
Prensa de compactação EME 0/10 80 giros
%Vv ≤ 10% %Vv ≤ 6%
por cisalhamento giratório EME 0/14 100 giros
EME 0/20 120 giros Resistência à deformação Percentagem de vazios das placas: %Vvi= 7% %Vvs = 10% %Vvi = 3% %Vvs = 6%
Permanente a 60°C Número de ciclos 30000 ciclos 30000 ciclos
Profundidade da Deformação permanente
Afundamento máximo 7,5%
Percentagem de vazios das placas
%Vvi= 7% %Vvs = 10%
%Vvi= 3% %Vvs = 6%
Módulo (MPa) 15°C, 10 Hz ou 0,02 s |E*| ≥ 14000 |E*| ≥ 14000
Fadiga (def) 2 pontos, 10°C, 25 Hz ε6 ≥ 100 ε6 ≥130
r e R; Tensão de ruptura a compressão simples, dos corpos de prova condicionados na água e a seco;
Vv; Volume de vazios; Vvi; volume de vazios mínimo; Vvs;volume de vazios máximo; ε6; deformação para um milhão de ciclos.
